JP4690584B2

JP4690584B2 - Surface evaluation apparatus and surface evaluation method

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Publication number: JP4690584B2
Application number: JP2001170473A
Authority: JP
Inventors: 俊彦片岡; 勝男和田
Original assignee: 有限会社ユナテック
Priority date: 2001-06-06
Filing date: 2001-06-06
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2021-06-06
Also published as: JP2002365234A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料表面からの散乱光を用いた表面評価装置及び該装置を用いた表面評価方法に関し、より詳しくは、半導体、絶縁体、金属等の試料表面に、光線を照射させ、試料表面からの散乱光を検出し、試料表面の微小な粒子、付着物等の異物、及び粗さ、キズ、線状の溝（「スクラッチ」という）等の微細な凹凸、並びに構造または組成の変化を、広い範囲にわたって、高精度に評価するための表面評価装置とその評価方法に関し、特に、試料表面の全方向のスクラッチ、あるいは試料の表面粗さや表面形状の方向依存性を評価するための表面評価装置とその評価方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、パターン未形成のシリコンウエハ試料表面の微粒子、付着物等の異物は、Ｈｅ−ＮｅレーザーやＡｒレーザーのようなレーザー光を用いて、集光させた照射光を、試料表面に対して比較的垂直に近い角度で入射させ、表面からの散乱光を、凹面鏡である積分球等を用いて捕捉し、ついで各測定点での散乱光強度を、光電子増倍管（「ＰＭＴ」という。）を用いて、電気信号に変換させることにより、測定していた。また、異物の位置は、シリコンウエハや照射光を走査させて、照射位置を移動させることにより、測定していた。
【０００３】
検出可能な異物の最小粒径は、照射光を絞った時のスポット内の照射光の強度及び異物からの散乱光強度に対するＰＭＴの感度に左右され、現状では検出可能な異物は、粒径１００ｎｍ（１ｎｍは、１０００分の１μｍである。）程度である。より微小な粒径の異物の検出を可能とするためには、ＰＭＴの感度向上またはＰＭＴへの光量を増やす必要があり、このため、各方向に出される散乱光を積分球等によりできるだけ効率的に捕捉し、かつ測定時間を長くしなくてはならなかった。また、検出できる最小の粒径を示す分解能を向上するためには、照射光のスポット径を絞り、スポット内の光強度を上げる必要があった。
【０００４】
上記従来装置では、散乱光を補足するための光路上に、積分球等の光学部品を配置する必要があり、該部品に起因する反射光が迷光となり、Ｓ／Ｎ比を低下させる。また、露光時間を長くしても、Ｓ／Ｎ比は変らなかった。また、単一レーザー光を用いて、試料表面からの散乱光強度のみを測定しているだけであり、異物と微細な凹凸とを識別することができず、シリコンウエハのミラー面のような非常に平滑な面を評価するには不都合であった。
【０００５】
最近、従来の垂直に近い角度からの照射光に加えて、斜め方向からの照射光を併用して、垂直に近い角度からの照射光による結果と比較して、異物と微細な凹凸とを識別する方法が提案されている。しかしながら、異物と微小な凹凸との識別はできるものの、分解能は、従来と同様であり、なお不十分であった。また、照射光が２種類あり、複雑な装置構成であった。さらに、散乱光を捕捉する光路上に配置した光学部品による反射光が迷光となり、Ｓ／Ｎ比を下げる要因となっていた。
【０００６】
特開平１１−２８１５４３号公報では、楕円面鏡集光器を備えた装置を用いることにより、散乱光を捕捉する工夫がなされ、ｎｍオーダーの異物の検出が可能となった。しかしながら、該装置を用いても、従来と同様、測定時間が極端に長くなってしまうという問題が残されており、また、照射光が単一であり、Ｓ／Ｎ比については、前記の従来技術と大きな違いはなく、シリコンウエハのミラー面のように非常に平滑な表面の粗さ、例えばＳＴＭやＡＴＭによってのみ測定可能な微小周期を有する粗さ（「マイクロラフネス」という。）を評価するためには不十分なものであった。
【０００７】
一方、ＡＦＭ、ＳＴＭ等の装置を用いた場合、試料表面の異物やマイクロラフネスとの識別、あるいは表面形状の測定はできるものの、測定領域が極めて狭い範囲に限られ、シリコンウエハ等の試料表面を、広い範囲にわたって、マイクロラフネスレベルで評価するには不都合であった。
【０００８】
本発明者らは、先に出願した特願２００１−１５０５８４号により、上記問題点を解決する、試料表面の異物や微細な凹凸との識別が短持間かつ容易にでき、広い範囲にわたって、短時間かつ容易に、高精度に評価できる表面評価装置を提案した。また、特願平２００１−１５０５８３号により、シリコンウエハ等のマイクロラフネスを、高精度に評価できる表面評価方法を提案した。
【０００９】
しかしながら、試料表面の評価については、さらに、上記以外の他の表面評価方法が求められており、特に、シリコンウエハ等の試料表面の全方向のスクラッチ、あるいは試料の表面粗さや表面形状の方向依存性を評価し得る方法が望まれている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記課題を解決し得る、シリコンウエハ等の試料表面の全方向のスクラッチ、あるいは試料の表面粗さや表面形状の方向依存性を、短時間かつ容易に、高精度に評価するための表面評価装置とその評価方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、鋭意研究した結果、試料を載置する試料ステージを、試料表面の法線を軸にして回転可能とし、かつ試料の測定領域が回転の中心となるように設定された装置を用いることにより、上記課題を解決し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１２】
すなわち、本発明の、請求項１に記載の表面評価装置は、試料ステージ上に載置された試料表面に、反射光が最小となる入射角度で照射光を照射させる光照射手段と、試料表面に対して法線方向かつ対向する位置に配置された、試料表面からの散乱光を結像させる結像レンズ及び結像された散乱光を電気信号に変換させるＣＣＤからなる散乱光検出手段と、該ＣＣＤからの電気信号を記録させる記録手段とを有する表面評価装置において、前記試料ステージが試料表面の法線を軸にして回転可能であり、かつ試料の測定領域が回転の中心となるように設定されてなることを特徴とするものである。
【００１３】
請求項２に記載の表面評価装置は、請求項１に記載の発明において、照射光が、反射光を最小限に抑え、散乱光のみを発生させる入射角度であることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項３に記載の表面評価装置は、請求項１または請求項２に記載の発明において、偏光面調整手段が、光照射手段に配設されてなることを特徴とするものである。
【００１５】
請求項４に記載の表面評価装置は、請求項３に記載の発明において、照射光が、Ｐ偏光であることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項５に記載の表面評価装置は、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の発明において、試料表面の測定領域よりも小面積に集光された照射光が、走査されて、該測定領域が均一に照射されてなることを特徴とするものである。
【００１７】
請求項６に記載の表面評価装置は、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の発明において、試料表面と散乱光検出手段との間に、照射光の入射方向及び試料表面に対して平行に配置されたスリットを有することを特徴とするものである。
【００１８】
請求項７に記載の表面評価装置は、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の発明において、試料ステージ上に載置された試料が、１ステップ当りの角度送り５〜２０度で、断続的に回転されてなることを特徴とするものである。
【００１９】
請求項８に記載の表面評価装置は、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の発明において、試料ステージ上に載置された試料が、１回のステップ当りの角度送り５〜２０度で、断続的に回転され、かつＣＣＤの回転が試料と同期されてなることを特徴とするものである。
【００２０】
請求項９に記載の表面評価装置は、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の発明において、試料ステージ上に載置された試料が、１回の露光時間当りの角度送り５〜２０度で、連続的に回転されてなることを特徴とするものである。
【００２１】
請求項１０に記載の表面評価装置は、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の発明において、試料ステージ上に載置された試料が、１回の露光時間当りの角度送り５〜２０度で、連続的に回転され、かつＣＣＤの回転が試料と同期されてなることを特徴とするものである。
【００２２】
請求項１１に記載の表面評価方法は、請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の表面評価装置を用いて、試料表面を評価することを特徴とするものである。
【００２３】
請求項１２に記載の表面評価方法は、請求項１１に記載の発明において、試料の測定領域を回転させ、照射光と試料との各相対角度に対する散乱光強度分布の変化または変化率を測定することを特徴とするものである。
【００２４】
請求項１３に記載の表面評価方法は、請求項１１に記載の発明において、照射光と試料との各相対角度に対する散乱光強度分布の変化または変化率が、試料表面への照射光強度及び露光時間に対する比として標準化されることを特徴とするものである。
【００２５】
請求項１４に記載の表面評価方法は、請求項１２または請求項１３に記載の発明において、試料表面の全方向のスクラッチを評価することを特徴とするものである。
【００２６】
請求項１５に記載の表面評価方法は、請求項１２または請求項１３に記載の発明において、試料の表面粗さや表面形状の方向依存性を評価することを特徴とするものである。
【００２７】
本発明では、光源からのレーザー光を偏光面調整させ、かつ試料表面に対してブリュースター角に近い角度で照射光を入射させ、結像レンズ及びＣＣＤへの反射光を最小限に抑えながら、散乱光のみを効果的に発生させると共に、さらに、試料の測定領域よりも小面積に集光させた照射光を走査させることにより、該測定領域を均一な光強度で照射し、測定時のノイズとなる迷光、反射光や光量のバラツキを最小限に抑えることによって行われる。
【００２８】
また、本発明では、試料表面の状態により大きく依存する散乱光強度の変化に対して、照射光の光量及び／またはＣＣＤへの露光時間を調整させることにより、常にＣＣＤへの露光量を最適化し、散乱光強度の変化への追従性がよく、ダイナミックレンジが広い。
【００２９】
【作用】
図１は、本発明の測定原理を示す模式図である。以下、図１を参照して、本発明の測定原理について説明する。
【００３０】
試料ステージ２の上に載置された試料３表面に対して斜め上方から入射させた照射光１は、ほとんどが試料３内部に進み、ごく一部のみが反射光として逆方向に出て行く。照射光１は、試料３表面に対し法線方向かつ対向する位置に配置した、結像レンズ４及びＣＣＤ５への反射光を最小限に抑えながら、散乱光のみを効果的に発生させる入射角度θで、試料３表面に照射される。照射光１の入射角度θは、具体的には、試料の種類により決まるブリュースター角に近い角度であり、シリコンの場合、７６度である。
【００３１】
図２は、シリコン試料における、Ｐ偏光（光偏光面が入射面に対して平行な光）及び／またはＳ偏光（光偏光面が入射面に対して垂直な光）の照射光１の入射角度θに対する反射光の反射率の理論値及び実験値である。図中、縦軸は、反射光の反射率を、横軸は、試料表面に対する照射光の入射角度θを表す。Ｓ偏光では、照射光の入射角度θを９０度まで漸増させるに従い、反射率は単調に増加するが、Ｐ偏光では、７６度までは、反射率が漸減し、７６度でほぼ０となった後、急激に１に上昇する。反射率は、理論値、実験値共同様の挙動を示す。すなわち、照射光にＰ偏光を用いて７６度付近の入射角度とすることにより、迷光の原因となる反射光を最小限に抑えて、散乱光のみを効果的に発生させ、捕捉することが可能となり、非常にＳ／Ｎ比のよい状態での測定が可能となり、高感度な測定ができる。
【００３２】
試料３表面に、異物や微細な凹凸、あるいは構造や組成の変化等がある場合、集光した照射光１の照射部分より散乱光が発生する。発生した散乱光を、結像レンズ４により、ＣＣＤ５に結像させる。ＣＣＤ５は、散乱光強度に応じた強さの電気信号を発生させると共に、各測定部分に対応する散乱光強度に対応する画像をモニターに表示する。このＣＣＤ画像を記録、解析することにより、試料表面に存在する、異物、微細な凹凸、組成の変化やそれらの分布を測定し、例えばＳＴＭやＡＦＭによってのみ測定可能な微小周期を有する粗さであるマイクロラフネスレベルで、試料表面を評価することができる。
【００３３】
試料３表面がシリコンウエハのミラー面のように平滑な場合、表面粗さによる散乱光は、極めて微弱となり、一方、粗い場合には、大きくなる。散乱光強度は、試料３の表面状態により大きく依存するため、ＣＣＤ５からの電気信号が不十分であったり、逆に飽和してしまう恐れがある。このような場合には、照射光１の光量及び／またはＣＣＤ５への露光時間を調節して、ＣＣＤ５への露光量を、常に最適状態に保持することにより、常に高感度で高精度な測定を行うことができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、実施例に基き、詳細に説明する。なお、本発明は、実施例によりなんら限定されない。
【００３５】
１．表面評価装置の実際例
図３は、上記測定原理を用いて構成した、本発明の表面評価装置（以下、「本装置」という。）を示す模式図である。また、図４は、結像レンズと試料との間にスリットを配置させた時の模式図である。以下、図３を参照して、「本装置」について説明する。
【００３６】
光源であるＡｒイオンレーザー６（波長：４８８ｎｍ、出力：０．１〜１．６Ｗ可変）から射出させた単一レーザー光は、減光フィルター８により、光量が調節された後、２分の１波長板９により、Ｐ偏光またはＳ偏光に偏光面調整される。通常、Ｐ偏光を用いるが、試料表面からの散乱光が強い場合には、Ｓ偏光の成分も入れて調整される。
【００３７】
ついで、偏光面調整された単一レーザー光は、照射光１走査用Ｘ−Ｙスキャナー７を経た後、試料３表面上で適当な大きさのスポットとなるように、集光レンズ１０により集光された照射光１が、試料ステージ２の上に載置した試料３表面に、反射光を最小限に抑え、散乱光のみを発生させる、ブリュースター角に近い角度で、斜め上方より照射される。
【００３８】
試料３表面への照射光１は、ほとんどが試料３内部を進行し、ごく一部のみが反射光となり、照射光１と逆方向に進む。反射光は、他の構造物に再反射して迷光となったり、試料３表面あるいは結像レンズ４やＣＣＤ５に再照射してノイズとなるため、迷光防止用遮蔽板１３が設置されている。
【００３９】
試料３表面から発生した散乱光は、試料３表面に対して法線方向かつ対向する位置に配置した、焦点可変の結像レンズ（口径：１０ｍｍ）４により、ＣＣＤ５に結像される。ついで、ＣＣＤ５に結像された散乱光は、その強度に応じた強さの電気信号に変換される。ＣＣＤ５は、ノイズ低減のため、ペルチェ素子を用いて冷却させて、暗電流を抑制している
【００４０】
ＣＣＤ５により変換された電気信号は、パソコン１１により、画像処理され、モニター１２に、発生させた散乱光の強度分布に対応したＣＣＤ画像が表示される。このＣＣＤ画像を記録、解析することにより、試料表面の異物、微細な凹凸、組成の変化やそれらの分布を測定し、高精度な評価が行われる。
【００４１】
「本装置」の試料ステージ２は、Ｘ−Ｙ−Ｚ方向に位置調整でき、測定位置を移動できる位置調整ステージと、試料３表面の法線方向を軸として回転可能な回転ステージ（「シータ・ステージ」という。）とからなり、前記位置調整ステージは、照射光の中心と、回転させる試料３表面の測定領域の中心とが一致するように、シータ・ステージに対して上段側に配置される。
【００４２】
「本装置」に用いられる試料ステージ２は、試料３表面の測定領域の中心を回転軸とし、かつ該回転軸を照射光１の中心と高精度に一致させる必要がある。照射光１と前記回転軸を高精度に一致させるため、試料ステージ２の下段には、さらに、Ｘ−Ｙ−Ｚステージを配置させることがある。
【００４３】
また、試料ステージ２上に載置された試料自体の傾きによる散乱光強度の変化が生じないよう、試料ステージ２は、回転軸に対して垂直になるように十分調整されている。傾き調整は、ゴニオステージ等の傾斜ステージを配置して行う。
【００４４】
ガルバノ・ミラーを２段組み合わせた照射光１走査用Ｘ−Ｙスキャナー７は、試料３の測定領域に、照射光１を走査させ、測定領域を均一照射するためのものである。
【００４５】
Ｘ−Ｙスキャナーにより、試料３表面の測定領域よりも小面積に集光させた照射光１が、該測定領域の約２倍の領域に走査されて、測定領域が均一照射される。具体的には、楕円形状の１００μｍ程度のＰ偏光の単一レーザー光（出力：０．４３Ｗ）が、シリコンウエハの測定領域（縦×横：６００μｍ）に対して、縦×横１５００μｍの領域について、クランク状に７６.７μｍピッチで、１走査当り１.０６秒で走査される。
【００４６】
Ｘ−Ｙスキャナー７としては、ガルバノ・ミラーの２段組合せ以外に、ポリゴンミラーやレーザーの直接振幅等を用いてもよい。
【００４７】
図５は、「本装置」を用いて、Ｐ偏光の単一レーザー光を走査させて、シリコンウエハ試料３表面に照射させた時の、試料表面の異物による散乱光を記録したＣＣＤ画像（ＣＣＤへの露光時間：６３．６秒）である。ＣＣＤ画像は、１０１８×１０００画素で構成され、各画素の輝度は４０９６階調（「カウント数」とする。）である。図５（ａ）は、ＣＣＤ５からの画像であり、散乱光の強度分布が明るさの分布として表示されている。また、図５（ｂ）は、（ａ）のＣＣＤ画像を拡大したもので、（ｂ）中の輝点は、試料表面の粒子による散乱光であり、異物の位置を示している。
【００４８】
また、図５（ｃ）は、図５（ｂ）のＣＣＤ画像内の各走査線上の散乱光の強度分布である。図中、縦軸がカウント数を、横軸がＸ方向測定位置を示しており、散乱光強度に応じた凸凹の波形が記録されている。図５（ｂ）のように試料３表面に異物がある時、異物の位置（Ａ１、Ａ２及びＡ３）に対応して、散乱光強度の極大値が現れる。この極大値の高さは、異物の粒径に対応しており、異物の粒径が推定できる。
【００４９】
図６は、図５（ａ）の全測定領域における、走査線上の異物による散乱光強度別発生個数の度数分布である。図中、横軸の散乱光強度（ａ．ｕ．：任意尺度の意味である。）は、異物による散乱光強度の極大値を表し、図５（ａ）のＣＣＤ画像より、適宜設定したしきい値より大きいものを異物による散乱光とし、つぎに、各輝点の最高カウント数の座標を求め、その値からバックグラウンドの平均であるベースライン値を引いたものである。縦軸は、全測定領域における発生個数を示している。図６により、試料の測定領域内に、どのような粒径の異物が何個存在しているか識別できる。
【００５０】
「本装置」において、図４に示したように、試料３表面からの散乱光を結像するための結像レンズ４の前または後に、試料３表面及び照射光１の入射方向に対して平行に、幅１ｍｍのスリットを配置させた場合、照射光１の入射方向と試料３表面のスクラッチ方向の測定可能な相対角度が±５度程度となり、スリットなし時の±１５度程度と比べ、該相対角度が狭く制限されることと引き換えに、Ｓ／Ｎ比が向上し、スリットなしでは検出されなかったスクラッチが検出できるので好ましい。
【００５１】
従来のＳＴＭやＡＦＭでも、試料表面の溝幅が数十ｎｍ程度までのスクラッチが測定できるが、測定領域が極めて狭い範囲に限られてしまうという欠点を有していた。本発明では、シリコンウエハ等の試料の広い範囲にわたって、断面形状については分からないものの、上記よりさらに１桁以上の微細なスクラッチを、短時間かつ容易に識別することができる。
【００５２】
２．試料表面の全方向のスクラッチの検出
図７は、入射方向が固定された照射光１と、試料ステージ２上に載置されたシリコンウエハ試料との関係を示す図である。シリコンウエハは、その結晶方位に対しての方向、位置決めを行うための直線部分（「オリフラ」という。）を有する。照射光１の中心は、試料３表面の測定領域の回転の中心と一致するように、予め調整され、試料３が、反時計回り（＋方向とする。）に回転される。図中、照射光１の入射方向に対して、シリコンウエハのオリフラが直角となる角度を、照射光の入射方向に対する試料の相対角度ωが０度とする。
【００５３】
試料表面の全方向のスクラッチは、以下に示す方法により、検出される。
【００５４】
図７に示すように、入射方向を固定させたレーザー光に対して、試料の測定領域を中心として反時計回りに断続的に回転させて、１ステップ当りの角度送り５〜２０度で、試料の相対角度ωを断続的に変化させることにより、各相対角度ω毎のＣＣＤ画像を、各々測定、記録する。ついで、試料の方向が同一となるように、各相対角度ωでのＣＣＤ画像を角度補正した後、各相対角度ωでのＣＣＤ画像を、重ね合わせ、１枚のデータに合成する。合成されたデータは、試料表面の全方向のスクラッチを示している。また、ＣＣＤの回転を試料の回転と同期させて、各相対角度ω毎のＣＣＤ画像を、そのまま１枚のデータに合成してもよい。
【００５５】
なお、ＣＣＤ画像は、照射光強度及びＣＣＤへの露光時間を予め一定に調整して測定するか、あるいは、各ＣＣＤ画像の測定結果を、照射光強度及び露光時間で除して、同一条件となるように標準化される。
【００５６】
図８は、入射方向を固定させた、Ｐ偏向の単一レーザー光を、シリコンウエハ試料表面に照射させた時の、試料の全方向のスクラッチを測定した結果を示す図である。図８の上段は、上記方法に準じて、１ステップ当りの角度送り１０度で、反時計回りに、相対角度ωを０〜９０度まで、断続的に試料を回転させた時の、各相対角度ωにおけるＣＣＤ画像の反転画像であり、また図８の下段は、上段の各反転画像を、重ね合わせて、一枚のデータとして合成したもので、シリコンウエハ表面の全方向のスクラッチが表示されている。このように、本発明は、試料表面の全方向のスクラッチを検出することができる。
【００５７】
試料表面の全方向のスクラッチは、上記のように、照射光の入射方向を固定し、試料を断続的に回転させて測定する方法以外に、試料を固定し、試料表面の測定領域を中心として、断続的に照射光を水平回転させて測定する方法、あるいは試料表面の同一測定領域を中心として照射するように、複数の照射光を予め設置し、相対角度ωに相当する位置の照射光に順次切替えて測定する方法でも、同様の結果が得られる。スリットを用いる場合には、相対角度ωに同期させる必要がある。
【００５８】
さらに、前記のような断続的に試料を回転させる以外に、入射方向を固定させた照射光に対して、試料表面の測定領域を中心として、反時計回りに、１回の露光時間当りの角度送り５〜２０度で、連続的に試料を回転させて、各走査毎のＣＣＤ画像を、各々測定、記録した後、各走査毎のＣＣＤ画像の角度補正を行い、１枚のデータに合成して、試料表面の全方向のスクラッチを評価することができる。また、試料を固定し、照射光を連続的に水平回転させても、同様の結果を得ることができる。この場合、スリットの回転を照射光の回転と同期させる必要がある。
【００５９】
３．試料の表面粗さの方向依存性の評価
「本装置」では、前記「１．表面評価装置の実際例」で示したように、試料表面の異物や微細な凹凸の位置に対応する点状または線状の輝点が表示された図５（ａ）、（ｂ）の「ＣＣＤ画像」、及び図５（ｃ）の「走査線上の散乱光の強度分布」のデータが得られる。
【００６０】
図５（ｃ）の「走査線上の散乱光の強度分布」データにおいて、図５（ｂ）の「ＣＣＤ画像」中、異物や微細な凹凸の位置に対応する点状または線状の輝点で表示された散乱光強度の極大値がある場合、図５（ｃ）中の該極大値の部分を取り除いたバックグラウンドレベルが、試料の表面粗さを反映している。なお、この場合、表面粗さに相応した散乱光強度が得られるということであり、散乱光強度の分布曲線が断面形状を表すものではない。
【００６１】
図５（ｃ）において、散乱光強度の極大値を取り除く補正をした後、散乱光強度分布の平均値を求めることにより、試料のマイクロラフネスが、数値化されたデータとして得られる。
【００６２】
異物や線状の微細な凹凸による輝点の密度が小さい場合には、上記補正の影響が十分小さく、無視しても差支えなく、異物の付着が極めて少ない、清浄なシリコンウエハのミラー面等においては、実際上、補正しなくとも、試料の表面粗さを十分に評価することができる。
【００６３】
試料の表面粗さは、散乱光強度の分布を表すカウント数で得られる。同一条件で測定した場合には、得られたカウント数を、そのまま比較することが可能であるが、測定条件が異なる場合には、入射角度は一定として、照射光強度及び露光時間をもとに標準化したカウント数として、以下に示した数式により求め、比較される。
【００６４】
【数１】

【００６５】
上記標準化により、測定条件が異なる場合における表面粗さの比較が可能となり、また粗い面から平滑な面までの広い範囲を比較することができる。
【００６６】
本発明の試料の表面粗さの方向依存性は、上記「２．試料表面の全方向のスクラッチの検出」に準ずる方法により、各「走査線上の散乱光強度分布」を測定し、散乱光強度分布のバックグラウンドレベルまたは全散乱光強度分布を求めることにより、評価することができる。
【００６７】
１回に測定する試料表面の全測定領域の散乱光強度分布の平均値で表面粗さを比較する場合には、照射光の入射方向と試料との相対角度の角度補正を行う必要がない。また、１回に測定する試料表面の全測定領域をさらに細かい領域に区分する場合には、照射光の入射方向と試料との相対角度の角度補正を行う必要がある。
【００６８】
図９は、同一試料について、レーザー光に対する初期相対角度及び回転方向を変えた時の方向依存性を比較した図であり、入射方向を固定させた、Ｐ偏向の単一レーザー光に対して、同一シリコンウエハ試料を、まず（ａ）初期相対角度ωを０度とし、反時計回りに１５度ずつ断続的に回転させ、ついで（ｂ）初期相対角度ωを４５度とし、時計回りに１５度ずつ断続的に回転させた時の、各相対角度ω毎に測定した散乱光強度分布より求めた、標準化したカウント数を比較したものである。図９では、シリコンウエハの初期相対角度ω及び回転方向如何にかかわらず、各相対角度ωにおける散乱光強度分布は、同一の挙動を示しており、表面粗さの方向依存性の評価が容易に行うことができることを示している。
【００６９】
本発明は、成長条件により結晶成長特有の結晶方向を持つ面を形成しながら、エピタキシャル成長していく、シリコンウエハのエピタキシャル成長面の方向依存性を評価できる他、金属加工面や、焼結体等の試料についても、方向依存性や規則性の評価も行うことができる。
【００７０】
図１０は、光学部品に用いられる散乱板、及びメーカー３社のシリコンウエハ（直径：１５０ｍｍ、結晶方位（１００））について、上記方法に準じて、表面粗さの方向依存性を比較した結果である。図１０より、散乱板では、表面粗さがランダムなため、各相対角度ωでの散乱光強度分布の変化は極めて小さく、また、シリコンウエハでは、メーカーにより、散乱光強度分布であるカウント数や方向依存性ついて相異があることが、数値化されたデータとして定量的に示されている。
【００７１】
本発明は、従来、ＡＦＭ，ＳＴＭ等の装置でしか評価できなかったシリコンウエハ等のマイクロラフネスが、広い範囲にわたって、簡単かつ容易に、非破壊で、定量的に評価することができる。
【００７２】
また、本発明は、異物の検出や微細な表面の凹凸、表面粗さの評価以外にも、例えば、同一の材料であっても結晶、多結晶、非晶質（アモルファスという）等のように結晶性の変化に伴い、反射率と共に散乱光強度が変化するものであれば、評価、比較することができる。また、本発明は、試料表面に付着している有機物等の変化、あるいは複数の原材料が混合された試料において、原材料の組成比率の変化により、散乱光強度が変化するものも、評価、比較できる。
【００７３】
【発明の効果】
本発明は、従来と比べ、凹面鏡である積分球等の光学部品が不要の単純な光学系で光路上に光学部品がなく、かつ簡単な構成の装置であり、迷光が発生せず、非常に優れたＳ／Ｎ比で、試料表面を測定でき、高精度の表面評価を行うことができる。
【００７４】
本発明は、試料表面の異物や微細な凹凸、あるいは構造または組成の変化が、広い範囲にわたり、短時間かつ容易に、各々識別することができる。本発明は、粒径３０ｎｍまでの異物が、高速でカウント、マッピングでき、また、溝幅が１ｎｍ程度までの、キズ、スクラッチを検出することができる。
【００７５】
本発明は、評価装置の感度調節が短時間かつ容易にでき、常にＣＣＤ露光量を最適化することができ、散乱光強度の変化に対して追従性がよく、ダイナミックレンジが広い。
【００７６】
本発明は、試料表面の全方向のスクラッチが、簡単かつ容易に評価することができ、また、試料の表面粗さや表面形状の方向依存性が、簡単かつ容易に、定量的に評価することができる。
【００７７】
本発明は、金属、絶縁体、半導体等の幅広い試料に対する非破壊測定が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の測定原理を示す模式図である。
【図２】シリコンウエハ試料における、照射光の入射角度に対応する反射光の反射率の理論値及び実験値を示す図である。
【図３】本発明の測定原理を用いて構成した表面評価装置を示す模式図である。
【図４】「本装置」において、結像レンズと試料間にスリットを配置させた時の模式図である。
【図５】シリコンウエハ試料３表面の異物による散乱光を測定した「ＣＣＤ画像」及び各「走査線上の散乱光強度分布」を示す図である。
【図６】図４（ａ）の全測定領域における、異物による散乱光強度分布別発生個数の度数分布を示す図である。
【図７】レーザー光の入射方向に対して、試料の測定領域を中心にして、試料を回転させることを示す模式図である。
【図８】シリコンウエハ試料を断続的に回転させた時の全方向のスクラッチを測定した結果を示す図である。
【図９】同一シリコンウエハ試料について、レーザー光の入射方向に対する初期相対角度及び回転方向を変えた時の方向依存性を比較した図である。
【図１０】種々の試料について、表面粗さの方向依存性について比較した結果を示す図である。
【符号の説明】
１照射光
２試料ステージ
３試料
４結像レンズ
５ＣＣＤ
５’ ＣＣＤ制御盤
６光源（アルゴンイオンレーザー）
７Ｘ−Ｙスキャナー
８減光フィルター
９２分の１波長板
１０集光レンズ
１１、１１’ パソコン
１２モニター
１３迷光防止用遮蔽板
１４スリット[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a surface evaluation apparatus using scattered light from a sample surface and a surface evaluation method using the apparatus, and more specifically, a sample surface such as a semiconductor, an insulator, or a metal is irradiated with light to Detects scattered light from the surface to detect minute particles on the sample surface, foreign matter such as deposits, fine irregularities such as roughness, scratches, linear grooves (called “scratch”), and changes in structure or composition. In particular, the present invention relates to a surface evaluation apparatus and evaluation method for highly accurate evaluation over a wide range, and in particular, surface evaluation for evaluating the directional dependency of the sample surface roughness or surface shape, or scratches in all directions of the sample surface. The present invention relates to an apparatus and an evaluation method thereof.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, foreign particles such as fine particles and deposits on the surface of a silicon wafer sample that has not been patterned are compared with the sample surface using a laser beam such as a He-Ne laser or an Ar laser. The scattered light from the surface is captured using an integrating sphere or the like that is a concave mirror, and the scattered light intensity at each measurement point is then a photomultiplier tube (referred to as “PMT”). It was measured by converting it into an electric signal using. Further, the position of the foreign matter has been measured by moving the irradiation position by scanning a silicon wafer or irradiation light.
[0003]
The minimum particle size of the foreign matter that can be detected depends on the sensitivity of the PMT to the intensity of the irradiation light in the spot when the irradiation light is reduced and the scattered light intensity from the foreign matter. (1 nm is 1/1000 μm). In order to enable detection of a foreign substance having a smaller particle size, it is necessary to improve the sensitivity of the PMT or increase the amount of light to the PMT. For this reason, the scattered light emitted in each direction is as efficient as possible using an integrating sphere or the like. And the measurement time had to be extended. Further, in order to improve the resolution indicating the minimum particle size that can be detected, it is necessary to reduce the spot diameter of the irradiation light and increase the light intensity in the spot.
[0004]
In the above-described conventional apparatus, it is necessary to arrange an optical component such as an integrating sphere on the optical path for capturing scattered light, and the reflected light caused by the component becomes stray light, which lowers the S / N ratio. Further, the S / N ratio did not change even when the exposure time was increased. In addition, only the intensity of scattered light from the sample surface is measured using a single laser beam, and foreign matter and fine irregularities cannot be distinguished. It was inconvenient to evaluate a smooth surface.
[0005]
Recently, in addition to conventional irradiation light from an angle close to vertical, irradiation light from an oblique direction is used in combination to distinguish foreign objects from fine irregularities compared to the result of irradiation light from an angle close to vertical. A method has been proposed. However, although foreign substances can be distinguished from minute irregularities, the resolution is the same as that of the prior art and is still insufficient. Moreover, there were two types of irradiation light, and it was a complicated apparatus structure. Furthermore, the reflected light from the optical component arranged on the optical path for capturing the scattered light becomes stray light, which is a factor for lowering the S / N ratio.
[0006]
In Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-281543, an apparatus equipped with an ellipsoidal mirror concentrator is used to devise a means for capturing scattered light, and it is possible to detect foreign substances on the order of nm. However, even when the apparatus is used, there is still a problem that the measurement time becomes extremely long as in the prior art. In addition, the irradiation light is single, and the S / N ratio is the same as the conventional one. There is no significant difference from technology, and the roughness of a very smooth surface such as a mirror surface of a silicon wafer, for example, roughness having a micro period that can be measured only by STM or ATM (referred to as “micro roughness”) is evaluated. It was insufficient for this purpose.
[0007]
On the other hand, when an AFM, STM, or other device is used, the sample surface can be distinguished from foreign matter and microroughness, or the surface shape can be measured, but the measurement area is limited to a very narrow range, and the sample surface such as a silicon wafer can be used. It was inconvenient to evaluate at a microroughness level over a wide range.
[0008]
The inventors of the present invention, based on the previously filed Japanese Patent Application No. 2001-150584, can easily distinguish between foreign matters and fine irregularities on the surface of the sample to solve the above-mentioned problems. We have proposed a surface evaluation device that can be evaluated quickly and easily with high accuracy. Also, Japanese Patent Application No. 2001-150583 proposed a surface evaluation method capable of evaluating the microroughness of a silicon wafer or the like with high accuracy.
[0009]
However, for the evaluation of the sample surface, other surface evaluation methods other than those described above are required. In particular, scratches in all directions of the sample surface such as a silicon wafer, or direction dependency of the surface roughness and surface shape of the sample are required. A method capable of evaluating the sex is desired.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
The object of the present invention is to evaluate the directional dependency of the surface roughness or surface shape of a sample such as a silicon wafer or the like, which can solve the above-mentioned problems, in a short time and with high accuracy. A surface evaluation apparatus and an evaluation method therefor are provided.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
As a result of diligent research, the inventors of the present invention have set a sample stage on which a sample is placed so that the sample stage can be rotated about the normal line of the sample surface and the measurement region of the sample is the center of rotation. It has been found that the above-mentioned problems can be solved by using, and the present invention has been completed.
[0012]
That is, the surface evaluation apparatus according to claim 1 of the present invention includes a light irradiation means for irradiating the sample surface placed on the sample stage with irradiation light at an incident angle at which reflected light is minimized, and the sample surface. An imaging lens that forms an image of scattered light from the sample surface and a CCD that converts the imaged scattered light into an electrical signal, disposed in a position opposite to the normal direction and opposite to the sample surface; In a surface evaluation apparatus having a recording means for recording an electrical signal from the CCD, the sample stage is rotatable about the normal line of the sample surface, and the measurement area of the sample is the center of rotation. It is characterized by being set.
[0013]
The surface evaluation apparatus according to claim 2 is characterized in that, in the invention according to claim 1, the irradiation light has an incident angle that minimizes reflected light and generates only scattered light. .
[0014]
According to a third aspect of the present invention, there is provided the surface evaluation apparatus according to the first or second aspect, wherein the polarization plane adjusting means is disposed in the light irradiation means.
[0015]
The surface evaluation apparatus according to claim 4 is characterized in that, in the invention according to claim 3, the irradiation light is P-polarized light.
[0016]
A surface evaluation apparatus according to a fifth aspect is the invention according to any one of the first to fourth aspects, wherein the irradiation light condensed in a smaller area than the measurement region of the sample surface is scanned. The measurement area is uniformly irradiated.
[0017]
According to a sixth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to fifth aspects, the incident direction of the irradiation light and the sample surface are arranged between the sample surface and the scattered light detecting means. It has the slit arrange | positioned in parallel with respect to it.
[0018]
According to a seventh aspect of the present invention, there is provided the surface evaluation apparatus according to any one of the first to sixth aspects, wherein the sample placed on the sample stage has an angular feed of 5 to 20 degrees per step. Thus, it is characterized by being rotated intermittently.
[0019]
The surface evaluation apparatus according to claim 8 is the invention according to any one of claims 1 to 6, wherein the sample placed on the sample stage is fed at an angular feed rate of 5 to 5 per step. The rotation is intermittent at 20 degrees, and the rotation of the CCD is synchronized with the sample.
[0020]
According to a ninth aspect of the present invention, there is provided the surface evaluation apparatus according to any one of the first to sixth aspects, wherein the sample placed on the sample stage is fed at an angular feed rate of 5 per exposure time. It is characterized by being rotated continuously at -20 degrees.
[0021]
According to a tenth aspect of the present invention, there is provided the surface evaluation apparatus according to any one of the first to sixth aspects, wherein the sample placed on the sample stage is fed at an angle of 5 per exposure time. It is characterized in that it is rotated continuously at -20 degrees and the rotation of the CCD is synchronized with the sample.
[0022]
A surface evaluation method according to an eleventh aspect is characterized in that the surface of a sample is evaluated by using the surface evaluation apparatus according to any one of the first to tenth aspects.
[0023]
According to a twelfth aspect of the invention, in the invention of the eleventh aspect, the measurement region of the sample is rotated, and the change or rate of change of the scattered light intensity distribution with respect to each relative angle between the irradiation light and the sample is measured. It is characterized by this.
[0024]
The surface evaluation method according to claim 13 is the invention according to claim 11, wherein the change or change rate of the scattered light intensity distribution with respect to each relative angle between the irradiation light and the sample is the irradiation light intensity and exposure to the sample surface. It is characterized by being standardized as a ratio to time.
[0025]
A surface evaluation method according to a fourteenth aspect is characterized in that, in the invention according to the twelfth or thirteenth aspect, scratches in all directions of the sample surface are evaluated.
[0026]
A surface evaluation method according to a fifteenth aspect is characterized in that, in the invention according to the twelfth or thirteenth aspect, the surface roughness of the sample and the direction dependency of the surface shape are evaluated.
[0027]
In the present invention, the polarization plane of the laser light from the light source is adjusted, and the irradiation light is incident on the sample surface at an angle close to the Brewster angle, while minimizing the reflected light to the imaging lens and the CCD, In addition to effectively generating only scattered light, and scanning the irradiation light condensed in a smaller area than the measurement area of the sample, the measurement area is irradiated with uniform light intensity, and noise during measurement This is done by minimizing variations in stray light, reflected light and light quantity.
[0028]
Further, in the present invention, the exposure amount to the CCD is always optimized by adjusting the amount of irradiation light and / or the exposure time to the CCD with respect to the change in scattered light intensity that greatly depends on the state of the sample surface. , Good follow-up to changes in scattered light intensity and wide dynamic range.
[0029]
[Action]
FIG. 1 is a schematic diagram showing the measurement principle of the present invention. Hereinafter, the measurement principle of the present invention will be described with reference to FIG.
[0030]
Most of the irradiation light 1 incident on the surface of the sample 3 placed on the sample stage 2 obliquely from the upper side proceeds to the inside of the sample 3, and only a small part exits in the opposite direction as reflected light. Irradiation light 1 is arranged in a position normal to and opposite to the surface of the sample 3 and incident angle θ that effectively generates only scattered light while minimizing the reflected light to the imaging lens 4 and the CCD 5. Then, the surface of the sample 3 is irradiated. Specifically, the incident angle θ of the irradiation light 1 is an angle close to the Brewster angle determined by the type of the sample, and is 76 degrees in the case of silicon.
[0031]
FIG. 2 shows the incident angle of irradiation light 1 of P-polarized light (light whose polarization plane is parallel to the incident plane) and / or S-polarized light (light whose polarization plane is perpendicular to the incident plane) in a silicon sample. It is a theoretical value and an experimental value of the reflectance of reflected light with respect to θ. In the figure, the vertical axis represents the reflectance of the reflected light, and the horizontal axis represents the incident angle θ of the irradiation light with respect to the sample surface. In S-polarized light, the reflectivity increases monotonically as the incident angle θ of the irradiation light is gradually increased to 90 degrees. In P-polarized light, the reflectivity gradually decreases to 76 degrees and becomes almost zero at 76 degrees. After that, it suddenly rises to 1. Reflectance shows the same behavior for both theoretical and experimental values. In other words, by using P-polarized light as the incident light and having an incident angle near 76 degrees, it is possible to minimize the reflected light that causes stray light and effectively generate and capture only scattered light. Thus, measurement with a very good S / N ratio is possible, and highly sensitive measurement can be performed.
[0032]
When the surface of the sample 3 has foreign matter, fine irregularities, or a change in structure or composition, scattered light is generated from the irradiated portion of the condensed irradiation light 1. The generated scattered light is imaged on the CCD 5 by the imaging lens 4. The CCD 5 generates an electrical signal having a strength corresponding to the scattered light intensity, and displays an image corresponding to the scattered light intensity corresponding to each measurement portion on the monitor. By recording and analyzing this CCD image, foreign matter, fine irregularities, composition changes and their distribution existing on the sample surface are measured, and for example, with a roughness having a micro period that can be measured only by STM or AFM. The sample surface can be evaluated at a certain microroughness level.
[0033]
When the surface of the sample 3 is smooth like the mirror surface of a silicon wafer, the scattered light due to the surface roughness becomes extremely weak, whereas when it is rough, the scattered light becomes large. Since the scattered light intensity greatly depends on the surface state of the sample 3, the electric signal from the CCD 5 may be insufficient or may be saturated. In such a case, by adjusting the amount of irradiation light 1 and / or the exposure time to the CCD 5, the exposure amount to the CCD 5 is always kept in an optimum state, so that highly sensitive and highly accurate measurement can be performed at all times. It can be carried out.
[0034]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail based on examples. In addition, this invention is not limited at all by the Example.
[0035]
1. Actual example of surface evaluation apparatus Fig. 3 is a schematic diagram showing a surface evaluation apparatus of the present invention (hereinafter referred to as "this apparatus") constructed using the above-described measurement principle. FIG. 4 is a schematic diagram when a slit is disposed between the imaging lens and the sample. Hereinafter, the “present apparatus” will be described with reference to FIG. 3.
[0036]
A single laser beam emitted from an Ar ion laser 6 (wavelength: 488 nm, output: variable from 0.1 to 1.6 W), which is a light source, is adjusted to a half after the light amount is adjusted by the neutral density filter 8. The polarization plane is adjusted to P-polarized light or S-polarized light by the wave plate 9. Normally, P-polarized light is used. However, when scattered light from the sample surface is strong, adjustment is made by including an S-polarized light component.
[0037]
Subsequently, the single laser light whose polarization plane is adjusted passes through the XY scanner 7 for scanning the irradiated light, and then is condensed by the condenser lens 10 so as to be a spot having an appropriate size on the surface of the sample 3. The irradiated light 1 is irradiated obliquely from above on the surface of the sample 3 placed on the sample stage 2 at an angle close to the Brewster angle that minimizes reflected light and generates only scattered light. .
[0038]
Most of the irradiation light 1 on the surface of the sample 3 travels inside the sample 3, and only a small part becomes reflected light, and travels in the opposite direction to the irradiation light 1. Since the reflected light is reflected again to other structures and becomes stray light, or the surface of the sample 3 or the imaging lens 4 or the CCD 5 is re-irradiated to become noise, a stray light preventing shielding plate 13 is provided.
[0039]
Scattered light generated from the surface of the sample 3 is imaged on the CCD 5 by a focus-variable imaging lens (aperture: 10 mm) 4 disposed at a position opposite to the sample 3 surface in the normal direction. Next, the scattered light imaged on the CCD 5 is converted into an electric signal having a strength corresponding to the intensity. The CCD 5 is cooled by using a Peltier device to reduce noise, thereby suppressing dark current.
The electrical signal converted by the CCD 5 is subjected to image processing by the personal computer 11, and a CCD image corresponding to the intensity distribution of the generated scattered light is displayed on the monitor 12. By recording and analyzing this CCD image, foreign matter on the surface of the sample, fine irregularities, changes in composition and their distribution are measured, and highly accurate evaluation is performed.
[0041]
The sample stage 2 of the “device” can be adjusted in the X, Y, and Z directions and can move the measurement position, and a rotary stage that can be rotated about the normal direction of the surface of the sample 3 (“Theta ・The position adjustment stage is arranged on the upper stage side with respect to the theta stage so that the center of the irradiation light coincides with the center of the measurement region on the surface of the sample 3 to be rotated. .
[0042]
The sample stage 2 used in the “present apparatus” needs to have the center of the measurement region on the surface of the sample 3 as the rotation axis and to coincide with the center of the irradiation light 1 with high accuracy. In order to make the irradiation light 1 and the rotation axis coincide with each other with high accuracy, an XYZ stage may be further arranged below the sample stage 2.
[0043]
Further, the sample stage 2 is sufficiently adjusted so as to be perpendicular to the rotation axis so that the scattered light intensity does not change due to the inclination of the sample itself placed on the sample stage 2. The tilt adjustment is performed by arranging a tilt stage such as a gonio stage.
[0044]
The irradiating light one-scan XY scanner 7 in which two galvanometer mirrors are combined is used to scan the measurement region of the sample 3 with the irradiation light 1 and uniformly irradiate the measurement region.
[0045]
The irradiating light 1 condensed in a smaller area than the measurement area on the surface of the sample 3 is scanned by the XY scanner to an area approximately twice as large as the measurement area, and the measurement area is uniformly irradiated. Specifically, an elliptical P-polarized single laser beam of about 100 μm (output: 0.43 W) is in a vertical × horizontal 1500 μm region with respect to the measurement region (vertical × horizontal: 600 μm) of the silicon wafer. In the crank shape, scanning is performed at 1.06 seconds per scan at a pitch of 76.7 μm.
[0046]
As the XY scanner 7, in addition to the two-stage combination of galvanometer mirrors, a polygon mirror, a direct amplitude of a laser, or the like may be used.
[0047]
FIG. 5 shows a CCD image (CCD) in which scattered light due to foreign matter on the sample surface is recorded when the surface of the silicon wafer sample 3 is irradiated with the P-polarized single laser beam using the present apparatus. Exposure time: 63.6 seconds). The CCD image is composed of 1018 × 1000 pixels, and the luminance of each pixel is 4096 gradations (referred to as “count number”). FIG. 5A is an image from the CCD 5, and the intensity distribution of scattered light is displayed as a brightness distribution. FIG. 5B is an enlarged view of the CCD image of FIG. 5A, and the bright spot in FIG. 5B is scattered light by particles on the sample surface, indicating the position of the foreign matter.
[0048]
FIG. 5C shows the intensity distribution of scattered light on each scanning line in the CCD image of FIG. In the figure, the vertical axis indicates the count number, and the horizontal axis indicates the measurement position in the X direction, and an uneven waveform corresponding to the scattered light intensity is recorded. When there is a foreign substance on the surface of the sample 3 as shown in FIG. 5B, the maximum value of the scattered light intensity appears corresponding to the position (A1, A2, and A3) of the foreign substance. The height of the maximum value corresponds to the particle size of the foreign material, and the particle size of the foreign material can be estimated.
[0049]
FIG. 6 is a frequency distribution of the number of occurrences according to scattered light intensity due to the foreign matter on the scanning line in the entire measurement region of FIG. In the figure, the scattered light intensity on the horizontal axis (au: meaning of an arbitrary scale) represents the maximum value of scattered light intensity due to a foreign substance, and is appropriately set from the CCD image of FIG. A value larger than the threshold value is scattered light by the foreign matter, and then the coordinates of the maximum count number of each bright spot are obtained, and the baseline value which is the average of the background is subtracted from that value. The vertical axis represents the number of occurrences in the entire measurement region. From FIG. 6, it is possible to identify how many foreign particles having a certain particle diameter exist in the measurement region of the sample.
[0050]
In the “present apparatus”, as shown in FIG. 4, parallel to the surface of the sample 3 and the incident direction of the irradiation light 1 before or after the imaging lens 4 for imaging the scattered light from the surface of the sample 3. In addition, when a slit with a width of 1 mm is disposed, the measurable relative angle between the incident direction of the irradiation light 1 and the scratch direction of the surface of the sample 3 is about ± 5 degrees, compared with about ± 15 degrees without the slit, In exchange for the narrow relative angle, the S / N ratio is improved, and scratches that could not be detected without a slit can be detected.
[0051]
Conventional STM and AFM can measure scratches with a groove width on the sample surface up to about several tens of nanometers, but have the disadvantage that the measurement region is limited to a very narrow range. In the present invention, although the cross-sectional shape is unknown over a wide range of samples such as silicon wafers, fine scratches of one digit or more than the above can be easily identified in a short time.
[0052]
2. Detection of scratch in all directions on sample surface FIG. 7 is a diagram showing a relationship between irradiation light 1 having a fixed incident direction and a silicon wafer sample placed on the sample stage 2. The silicon wafer has a linear portion (referred to as “orientation flat”) for positioning in the direction with respect to the crystal orientation. The center of the irradiation light 1 is adjusted in advance so as to coincide with the center of rotation of the measurement region on the surface of the sample 3, and the sample 3 is rotated counterclockwise (referred to as + direction). In the figure, the angle at which the orientation flat of the silicon wafer is perpendicular to the incident direction of the irradiation light 1 and the relative angle ω of the sample with respect to the incident direction of the irradiation light is 0 degree.
[0053]
Scratches in all directions on the sample surface are detected by the following method.
[0054]
As shown in FIG. 7, the sample is rotated at an angular feed of 5 to 20 degrees per step by intermittently rotating counterclockwise around the measurement region of the sample with respect to the laser beam having a fixed incident direction. By intermittently changing the relative angle ω, a CCD image for each relative angle ω is measured and recorded. Next, after correcting the angle of the CCD image at each relative angle ω so that the directions of the samples are the same, the CCD image at each relative angle ω is superimposed and synthesized into one piece of data. The synthesized data shows omnidirectional scratches on the sample surface. Further, the CCD image at each relative angle ω may be directly combined into one piece of data by synchronizing the rotation of the CCD with the rotation of the sample.
[0055]
The CCD image is measured by adjusting the irradiation light intensity and the exposure time to the CCD in advance, or by dividing the measurement result of each CCD image by the irradiation light intensity and the exposure time. To be standardized.
[0056]
FIG. 8 is a diagram showing a result of measuring scratches in all directions of a sample when the surface of the silicon wafer sample is irradiated with a P-polarized single laser beam having a fixed incident direction. The upper part of FIG. 8 shows each relative when the sample is intermittently rotated from 0 to 90 degrees in a counterclockwise direction at an angle feed of 10 degrees per step according to the above method. 8 is a reverse image of the CCD image at the angle ω, and the lower part of FIG. 8 is a combination of the respective reverse images in the upper part and synthesized as one piece of data, and displays scratches in all directions on the surface of the silicon wafer. ing. Thus, the present invention can detect scratches in all directions on the sample surface.
[0057]
As described above, scratching of the sample surface in all directions is not limited to the method of measuring the incident light incident direction and rotating the sample intermittently. A method in which the irradiation light is intermittently rotated horizontally, or a plurality of irradiation lights are set in advance so as to irradiate around the same measurement area on the sample surface, and the irradiation light at a position corresponding to the relative angle ω is used. Similar results can be obtained by the method of sequentially switching and measuring. When using a slit, it is necessary to synchronize with relative angle (omega).
[0058]
Further, in addition to intermittently rotating the sample as described above, the angle per one exposure time is counterclockwise around the measurement region of the sample surface with respect to the irradiation light whose incident direction is fixed. The sample is continuously rotated at a feed of 5 to 20 degrees, and the CCD image for each scan is measured and recorded. Then, the angle of the CCD image is corrected for each scan and combined into one piece of data. Thus, scratches in all directions on the sample surface can be evaluated. Further, the same result can be obtained even when the sample is fixed and the irradiation light is continuously horizontally rotated. In this case, it is necessary to synchronize the rotation of the slit with the rotation of the irradiation light.
[0059]
3. Evaluation of the direction dependency of the surface roughness of the sample In the present apparatus, as shown in the above-mentioned “1. Actual example of the surface evaluation apparatus”, a dot-like shape corresponding to the position of foreign matter or fine irregularities on the sample surface Data of “CCD image” in FIGS. 5A and 5B in which linear luminescent spots are displayed and “intensity distribution of scattered light on the scanning line” in FIG. 5C are obtained.
[0060]
In the “intensity distribution of scattered light on the scanning line” data in FIG. 5C, in the “CCD image” in FIG. 5B, dots or line-like bright spots corresponding to the positions of foreign matter or fine irregularities. When there is a displayed maximum value of scattered light intensity, the background level obtained by removing the maximum value portion in FIG. 5C reflects the surface roughness of the sample. In this case, the scattered light intensity corresponding to the surface roughness is obtained, and the distribution curve of the scattered light intensity does not represent the cross-sectional shape.
[0061]
In FIG. 5C, after correcting to remove the local maximum value of the scattered light intensity, the average value of the scattered light intensity distribution is obtained to obtain the microroughness of the sample as digitized data.
[0062]
When the density of bright spots due to foreign matter or fine line-shaped unevenness is small, the effect of the correction is sufficiently small and can be ignored. In practice, the surface roughness of the sample can be sufficiently evaluated without correction.
[0063]
The surface roughness of the sample is obtained by a count number representing the distribution of scattered light intensity. When measured under the same conditions, it is possible to compare the obtained counts as they are, but when the measurement conditions are different, the incident angle is constant and based on the irradiation light intensity and exposure time. The standardized count is obtained and compared by the following mathematical formula.
[0064]
[Expression 1]

[0065]
By the above standardization, the surface roughness can be compared when the measurement conditions are different, and a wide range from a rough surface to a smooth surface can be compared.
[0066]
The direction dependency of the surface roughness of the sample of the present invention is determined by measuring each “scattered light intensity distribution on the scanning line” according to the method described in “2. Detection of scratches in all directions on the sample surface”. It can be evaluated by determining the background level of the distribution or the total scattered light intensity distribution.
[0067]
When comparing the surface roughness with the average value of the scattered light intensity distribution in the entire measurement region of the sample surface measured at one time, it is not necessary to perform angle correction of the relative angle between the incident direction of the irradiation light and the sample. Further, when the entire measurement area of the sample surface to be measured at one time is divided into finer areas, it is necessary to perform angle correction of the relative angle between the incident direction of the irradiation light and the sample.
[0068]
FIG. 9 is a diagram comparing the direction dependency when the initial relative angle and the rotation direction with respect to the laser beam are changed for the same sample. For a single laser beam of P-polarization with a fixed incident direction, First, (a) the initial relative angle ω is set to 0 degree and intermittently rotated counterclockwise by 15 degrees, and (b) the initial relative angle ω is set to 45 degrees, and the same silicon wafer sample is rotated 15 degrees clockwise. This is a comparison of the standardized count numbers obtained from the scattered light intensity distribution measured at each relative angle ω when rotated intermittently. In FIG. 9, the scattered light intensity distribution at each relative angle ω shows the same behavior regardless of the initial relative angle ω and the rotation direction of the silicon wafer, and it is easy to evaluate the direction dependency of the surface roughness. Shows what can be done.
[0069]
The present invention allows epitaxial growth while forming a surface having a crystal orientation peculiar to crystal growth depending on the growth conditions. In addition to being able to evaluate the direction dependency of the epitaxial growth surface of a silicon wafer, a metal processed surface, a sintered body, etc. The direction dependency and regularity of the sample can also be evaluated.
[0070]
FIG. 10 is a result of comparing the direction dependency of the surface roughness of the scattering plate used in the optical component and the silicon wafers of three manufacturers (diameter: 150 mm, crystal orientation (100)) according to the above method. is there. From FIG. 10, since the surface roughness of the scattering plate is random, the change in the scattered light intensity distribution at each relative angle ω is extremely small. In the case of a silicon wafer, the count number that is the scattered light intensity distribution is determined by the manufacturer. It is quantitatively shown as numerical data that there is a difference in direction dependency.
[0071]
According to the present invention, the microroughness of a silicon wafer or the like, which has been conventionally evaluated only by an apparatus such as AFM or STM, can be easily and easily quantitatively evaluated over a wide range, non-destructively.
[0072]
In addition to the detection of foreign matter, evaluation of fine surface irregularities, and evaluation of surface roughness, the present invention can be applied to, for example, the same material such as crystal, polycrystal, amorphous (referred to as amorphous), etc. If the intensity of the scattered light changes with the reflectivity as the crystallinity changes, it can be evaluated and compared. In addition, the present invention can also evaluate and compare the change in the scattered light intensity due to the change in the composition ratio of the raw material in the sample mixed with a plurality of raw materials or the change in the organic matter adhering to the sample surface. .
[0073]
【The invention's effect】
The present invention is a simple optical system that does not require an optical component such as an integrating sphere, which is a concave mirror, and has no optical component on the optical path and has a simple configuration, and does not generate stray light. The sample surface can be measured with an excellent S / N ratio, and highly accurate surface evaluation can be performed.
[0074]
In the present invention, foreign matters on the sample surface, fine irregularities, or changes in structure or composition can be easily identified over a wide range in a short time. The present invention can count and map a foreign material with a particle size of up to 30 nm at high speed, and can detect scratches and scratches with a groove width of up to about 1 nm.
[0075]
According to the present invention, the sensitivity of the evaluation apparatus can be adjusted in a short time and easily, the CCD exposure amount can always be optimized, the followability to the change in scattered light intensity is good, and the dynamic range is wide.
[0076]
In the present invention, scratches in all directions of the sample surface can be easily and easily evaluated, and the surface roughness of the sample and the direction dependency of the surface shape can be easily and quantitatively evaluated. it can.
[0077]
The present invention can perform nondestructive measurement on a wide range of samples such as metals, insulators, and semiconductors.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing the measurement principle of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing theoretical values and experimental values of the reflectance of reflected light corresponding to the incident angle of irradiated light in a silicon wafer sample.
FIG. 3 is a schematic diagram showing a surface evaluation apparatus configured using the measurement principle of the present invention.
FIG. 4 is a schematic view when a slit is arranged between an imaging lens and a sample in “this apparatus”.
FIG. 5 is a diagram showing a “CCD image” obtained by measuring scattered light due to foreign matter on the surface of a silicon wafer sample 3 and each “scattered light intensity distribution on a scanning line”.
6 is a diagram showing the frequency distribution of the number of occurrences by scattered light intensity distribution due to foreign matter in the entire measurement region of FIG. 4 (a).
FIG. 7 is a schematic diagram showing that the sample is rotated around the measurement region of the sample with respect to the incident direction of the laser beam.
FIG. 8 is a diagram showing a result of measuring scratches in all directions when a silicon wafer sample is intermittently rotated.
FIG. 9 is a diagram comparing the direction dependency when the initial relative angle and the rotation direction with respect to the incident direction of laser light are changed for the same silicon wafer sample.
FIG. 10 is a diagram showing the results of comparing the surface roughness direction dependency of various samples.
[Explanation of symbols]
1 Irradiation Light 2 Sample Stage 3 Sample 4 Imaging Lens 5 CCD
5 'CCD control panel 6 Light source (Argon ion laser)
7 XY scanner 8 neutral density filter 9 half-wave plate 10 condensing lens 11, 11 'personal computer 12 monitor 13 stray light prevention shielding plate 14 slit

Claims

A sample irradiation surface that irradiates the sample surface mounted on the sample stage with irradiation light at an incident angle that minimizes reflected light, and a sample surface that is disposed in a normal direction and opposite to the sample surface. A surface evaluation apparatus comprising: an imaging lens that forms an image of the scattered light from the light; a scattered light detection means comprising a CCD that converts the imaged scattered light into an electrical signal; and a recording means that records the electrical signal from the CCD The sample stage is set to be rotatable about the normal line of the sample surface, and the measurement region of the sample is set to be the center of rotation,
A surface evaluation apparatus characterized in that the sample placed on the sample stage is rotated intermittently at an angular feed of 5 to 20 degrees per step, and the rotation of the CCD is synchronized with the rotation of the sample. .

A sample irradiation surface that irradiates the sample surface mounted on the sample stage with irradiation light at an incident angle that minimizes reflected light, and a sample surface that is disposed in a normal direction and opposite to the sample surface. A surface evaluation apparatus comprising: an imaging lens that forms an image of the scattered light from the light; a scattered light detection means comprising a CCD that converts the imaged scattered light into an electrical signal; and a recording means that records the electrical signal from the CCD The sample stage is set to be rotatable about the normal line of the sample surface, and the measurement region of the sample is set to be the center of rotation,
The sample placed on the sample stage is continuously rotated at an angular feed of 5 to 20 degrees per exposure time, and the rotation of the CCD is synchronized with the rotation of the sample. Surface evaluation device.

A sample irradiation surface that irradiates the sample surface mounted on the sample stage with irradiation light at an incident angle that minimizes reflected light, and a sample surface that is disposed in a normal direction and opposite to the sample surface. A surface evaluation apparatus comprising: an imaging lens that forms an image of the scattered light from the light; a scattered light detection means comprising a CCD that converts the imaged scattered light into an electrical signal; and a recording means that records the electrical signal from the CCD The sample stage is evaluated using a surface evaluation apparatus in which the sample stage is rotatable about the normal line of the sample surface and the measurement area of the sample is set to be the center of rotation. A surface evaluation method characterized by
A surface evaluation method characterized in that a change or change rate of scattered light intensity distribution with respect to each relative angle between irradiation light and a sample is standardized as a ratio to irradiation light intensity and exposure time on the sample surface.

4. The surface evaluation method according to claim 3, wherein the direction dependency of the surface roughness or the surface shape of the sample is evaluated.